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大体积混凝土早期温度裂缝的控制
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内容提示：温度应力是目前混凝土早期开裂的一个很重要的因素，水泥水化热是混凝土早期温度应力的主要来源，施工过程中通过控制水泥水化热，将大体积混凝土早期温度开裂的潜在危险性降至最低。
摘要：温度应力是目前混凝土早期开裂的一个很重要的因素，水泥水化热是混凝土早期温度应力的主要来源，施工过程中通过控制水泥水化热，将大体积混凝土早期温度开裂的潜在危险性降至最低。
关键词：大体积混凝土 早期温度裂缝 控制
0 引言
近年来，随着大体积混凝土在工程中的广泛应用，大体积混凝土早期开裂也已经成为困扰混凝土工程界的焦点问题。导致大体积混凝土开裂的原因有很多，比如，水泥水化热引起的温度应力和温度变形、内外约束条件的影响、外界气温变化的影响、混凝土内的收缩变形等。德国慕尼黑技术大学R.Springenschmid教授认为，混凝土的2/3应力来自于温度变化，1/3来自干缩和湿胀。可见温度应力是目前大体积混凝土开裂的一个很重要的因素。又因为水泥水化热是混凝土早期温度应力的主要来源，为了保证大体积混凝土结构具有可靠的强度和耐久性能，必须在施工过程中通过控制水泥水化热，将大体积混凝土早期温度开裂的潜在危险性降至最低。
1 大体积混凝土早期产生温度裂缝的原因
混凝土在凝结硬化过程中，水泥水化产生大量水化热，这些热量积聚而导致混凝土内部温升较快；混凝土结构本身体积厚大，导热系数低，热量不易散发，从而造成与混凝土表面产生过大温差，从而产生拉应力。当拉应力超过此时混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面将开裂，产生温差裂缝。一般情况下，混凝土的内外温差不宜超过25℃，否则混凝土将产生温差裂缝。故《混凝土结构工程验收规范》(GB50204-2001)规定：大体积混凝土的浇筑温度不宜超过28℃。
2 水泥水化的放热过程
水泥的水化热释放主要集中在早期，美国学者梅泰(Mehta，P.K.)认为，水泥加水拌和后，立即出现放热(称为第一个放热峰)，持续几分钟，这可能是铝酸盐和硫酸盐的溶解热。下一阶段是形成钙矾石所放出的热量，对于大部分水泥，大约在4～8h后，会达到第二个放热峰顶点，除钙矾石形成热外它也包括C，S的一些溶解热和C-S-H的形成热。水泥在开始3d内大致会放出50%的水化热，混凝土ld和3d的绝热温升相应为24.4℃和30.1℃。混凝土温升的高峰一般出现在浇注后的3-4d，掺粉煤灰后可推迟至5-6d，因此，从减少混凝土早期温度应力出发，应尽量减少水泥水化热。
3 控制大体积混凝土早期温度裂缝措施
3.1 降低早期水化放热 减少水泥水化热可以通过以下几项措施来达到目的。
3.1.1 优选原材料 ①水泥：由于温差主要是由水化热产生的，所以为了减小温差就要尽量降低水化热，为了降低水化热，要尽量采取早期水化热低的水泥，由于水泥的水化热是矿物成分与细度的函数，要降低水泥的水化热，主要是选择适宜的矿物组成和调整水泥的细度模数，硅酸盐水泥的矿物组成主要有：C3S、C2S、C3A和C4AF，试验表明：水泥中铝酸三钙（C3A）和硅酸三钙（C3S）含量高的，水化热较高，所以，为了减少水泥的水化热，必须降低熟料中C3A和C3S的含量。在施工中一般采用中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥。另外，在不影响水泥活性的情况下，要尽量使水泥的细度适当减小，因为水泥的细度会影响水化热的放热速率，试验表明比表面积每增加100cm2/g，1d的水化热增加17J/g～21J/g，7d和20d均增加4J/g～12J/g。②掺加粉煤灰：为了减少水泥用量，降低水化热并提高和易性，我们可以把部分水泥用粉煤灰代替，在混凝土中掺入粉煤灰可以改善混凝土的和易性，降低气温，减少收缩，提高混凝土抗浸蚀性具有良好的效果。水泥水化作用是放热反应，1kg 水泥放出原热量可高达500J，它能使混凝土中的温度达到75 ℃以上。因其内部产生的水化热造成温度急剧上升，与混凝土表面形成温度梯度，故内部产生拉应力，它们都能使混凝土开裂。如能采取技术措施将混凝土温度的顶峰温度加以限制，则能避免开裂。采用冷却措施降低温度，这样费用增加较多，用粉煤灰代替部分水泥，对混凝土温度起到缓解作用。③骨料：尽量扩大粗骨料的粒径，因为粗骨料粒径越大，级配越好，孔隙率越小，总表面积越小，每立方米的用水泥砂浆量和水泥用量就越小，水化热就随之降低，对防止裂缝的产生有利。对于细骨料宜采用级配良好的中砂和中粗砂，最好用中粗砂，因为其孔隙率小，总表面积小，这样混凝土的用水量和水泥用量就可以减少，水化热就低，裂缝就减少，另一方面，要控制砂子的含泥量，含泥量越大，收缩变形就越大，裂缝就越严重，因此细骨料尽量用干净的中粗沙。
3.1.2 优化混凝土的配合比 在商品混凝土原材料一定的情况下，配合比对混凝土收缩裂缝产生有重要影响，主要是单位水泥用量，水灰比，砂率等。对配合比的控制主要有以下几点：①商品混凝土应对混凝土的配合比进行优化；②不同季节、不同的施工环境应采用不同的配合比；③不同用途的混凝土应采用不同的配合比；④原材料变化时应重新确定配合比；⑤加强原材料的计量与控制，特别要加强雨季砂、石含水量的控制；⑥商品混凝土的水灰比宜为0.4~0.6，砂率宜为38%~45%，最小水泥用量宜为300kg/m3。因此，不良原配合比会产生混凝土收缩加大，引起开裂。
3.2 掺加外加剂 掺加缓凝剂与减水剂，缓凝剂的作用一是延缓混凝土放热峰值出现的时间，由于混凝土的强度会随龄期的增长而增大，所以等放热峰值出现时，混凝土强度也增大了，从而减小裂缝出现的机率，二是改善和易性，减少运输过程中的塌落度损失。减水剂的主要作用改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高混凝土强度或在保持混凝土一定强度时减少水泥用量，而水灰比的降低，水泥用量的减少对防止开裂是十分有利的。加入外加剂后，可延长混凝土的凝结时间，采取分层浇筑混凝土，利用浇筑面散热，并大大减少施工中出现冷缝的可能性。
3.3 优化大体积混凝土浇筑施工工艺
3.3.1 降低混凝土入模温度 浇筑大体积混凝土时应选择较适宜的气温， 尽量避开炎热天气浇筑。夏季可采用温度较低的地下水搅拌混凝土，或在混凝土拌和水中加入冰块， 同时对骨料进行遮阳、洒水降温，在运输及浇筑过程中也采用遮阳保护、洒水降温等措施，以降低混凝土拌和物的入模温度；掺加相应的缓凝型减水剂；在混凝土入模时，还可以采取强制通风措施，加速模内热量的散发。
3.3.2 加强施工中的温度控制 大体积混凝土应分层浇注，每层浇注厚度不大于30~50cm。浇注过程中要进行振捣方可密实，振捣时间应均匀一致以表面泛浆为宜，间距要均匀，以振捣力波及范围重叠二分之一为宜，振捣后1~2h混凝土可进行二次振捣。浇注完毕后，表面要压实、抹平，以防止表面裂缝。另外，浇注混凝土要求分层浇注，分层流水振捣，同时要保证上层混凝土在下层初凝前结合紧密。避免纵向施工缝、提高结构整体性和抗剪性能。
3.4 确保大体积混凝土早期有效养护 在混凝土浇筑之后，做好混凝土的保温保湿养护，以使混凝土缓缓降温，充分发挥其徐变特性，减低温度应力。夏季应坚决避免曝晒，注意保湿；冬季应采取措施保温覆盖，以免发生急剧的温度梯度变化；采取长时间的养护，确定合理的拆模时间，以延缓降温速度，延长降温时间，充分发挥混凝土的“应力松弛效应”；加强测温和温度监测。可采用热敏温度计监测或专人多点监测，以随时掌握与控制混凝土内的温度变化。混凝土内外温差应控制在25℃以内，基面温差和基底面温差均控制在20℃以内，并及时调整保温及养护措施，使混凝土的温度梯度和湿度不致过大，以有效控制有害裂缝的出现。
由于影响大体积混凝土早期开裂的因素较多，温度应力产生的裂缝仅是一个方面，在施工中必须全面考虑加以综合防治，才能保证大体积混凝土结构的工程质量。
参考文献：
[1]P梅泰.混凝土的结构、性能与材料[M].祝永年，沈威，陈志源.译.上海：同济大学出版社.l991.
[2]黄士元.高性能混凝土发展的回顾与思考[J].混凝土.2003，(7)：3-9.
[3]乔龄山.硅酸盐水泥的性能及其应用[J].水泥.2006.(1)：1-7. 来源: 《建筑中文网》.
关键词：大体积混凝土 早期温度裂缝 控制
0 引言
近年来，随着大体积混凝土在工程中的广泛应用，大体积混凝土早期开裂也已经成为困扰混凝土工程界的焦点问题。导致大体积混凝土开裂的原因有很多，比如，水泥水化热引起的温度应力和温度变形、内外约束条件的影响、外界气温变化的影响、混凝土内的收缩变形等。德国慕尼黑技术大学R.Springenschmid教授认为，混凝土的2/3应力来自于温度变化，1/3来自干缩和湿胀。可见温度应力是目前大体积混凝土开裂的一个很重要的因素。又因为水泥水化热是混凝土早期温度应力的主要来源，为了保证大体积混凝土结构具有可靠的强度和耐久性能，必须在施工过程中通过控制水泥水化热，将大体积混凝土早期温度开裂的潜在危险性降至最低。
1 大体积混凝土早期产生温度裂缝的原因
混凝土在凝结硬化过程中，水泥水化产生大量水化热，这些热量积聚而导致混凝土内部温升较快；混凝土结构本身体积厚大，导热系数低，热量不易散发，从而造成与混凝土表面产生过大温差，从而产生拉应力。当拉应力超过此时混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面将开裂，产生温差裂缝。一般情况下，混凝土的内外温差不宜超过25℃，否则混凝土将产生温差裂缝。故《混凝土结构工程验收规范》(GB50204-2001)规定：大体积混凝土的浇筑温度不宜超过28℃。
2 水泥水化的放热过程
水泥的水化热释放主要集中在早期，美国学者梅泰(Mehta，P.K.)认为，水泥加水拌和后，立即出现放热(称为第一个放热峰)，持续几分钟，这可能是铝酸盐和硫酸盐的溶解热。下一阶段是形成钙矾石所放出的热量，对于大部分水泥，大约在4～8h后，会达到第二个放热峰顶点，除钙矾石形成热外它也包括C，S的一些溶解热和C-S-H的形成热。水泥在开始3d内大致会放出50%的水化热，混凝土ld和3d的绝热温升相应为24.4℃和30.1℃。混凝土温升的高峰一般出现在浇注后的3-4d，掺粉煤灰后可推迟至5-6d，因此，从减少混凝土早期温度应力出发，应尽量减少水泥水化热。
3 控制大体积混凝土早期温度裂缝措施
3.1 降低早期水化放热 减少水泥水化热可以通过以下几项措施来达到目的。
3.1.1 优选原材料 ①水泥：由于温差主要是由水化热产生的，所以为了减小温差就要尽量降低水化热，为了降低水化热，要尽量采取早期水化热低的水泥，由于水泥的水化热是矿物成分与细度的函数，要降低水泥的水化热，主要是选择适宜的矿物组成和调整水泥的细度模数，硅酸盐水泥的矿物组成主要有：C3S、C2S、C3A和C4AF，试验表明：水泥中铝酸三钙（C3A）和硅酸三钙（C3S）含量高的，水化热较高，所以，为了减少水泥的水化热，必须降低熟料中C3A和C3S的含量。在施工中一般采用中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥。另外，在不影响水泥活性的情况下，要尽量使水泥的细度适当减小，因为水泥的细度会影响水化热的放热速率，试验表明比表面积每增加100cm2/g，1d的水化热增加17J/g～21J/g，7d和20d均增加4J/g～12J/g。②掺加粉煤灰：为了减少水泥用量，降低水化热并提高和易性，我们可以把部分水泥用粉煤灰代替，在混凝土中掺入粉煤灰可以改善混凝土的和易性，降低气温，减少收缩，提高混凝土抗浸蚀性具有良好的效果。水泥水化作用是放热反应，1kg 水泥放出原热量可高达500J，它能使混凝土中的温度达到75 ℃以上。因其内部产生的水化热造成温度急剧上升，与混凝土表面形成温度梯度，故内部产生拉应力，它们都能使混凝土开裂。如能采取技术措施将混凝土温度的顶峰温度加以限制，则能避免开裂。采用冷却措施降低温度，这样费用增加较多，用粉煤灰代替部分水泥，对混凝土温度起到缓解作用。③骨料：尽量扩大粗骨料的粒径，因为粗骨料粒径越大，级配越好，孔隙率越小，总表面积越小，每立方米的用水泥砂浆量和水泥用量就越小，水化热就随之降低，对防止裂缝的产生有利。对于细骨料宜采用级配良好的中砂和中粗砂，最好用中粗砂，因为其孔隙率小，总表面积小，这样混凝土的用水量和水泥用量就可以减少，水化热就低，裂缝就减少，另一方面，要控制砂子的含泥量，含泥量越大，收缩变形就越大，裂缝就越严重，因此细骨料尽量用干净的中粗沙。
3.1.2 优化混凝土的配合比 在商品混凝土原材料一定的情况下，配合比对混凝土收缩裂缝产生有重要影响，主要是单位水泥用量，水灰比，砂率等。对配合比的控制主要有以下几点：①商品混凝土应对混凝土的配合比进行优化；②不同季节、不同的施工环境应采用不同的配合比；③不同用途的混凝土应采用不同的配合比；④原材料变化时应重新确定配合比；⑤加强原材料的计量与控制，特别要加强雨季砂、石含水量的控制；⑥商品混凝土的水灰比宜为0.4~0.6，砂率宜为38%~45%，最小水泥用量宜为300kg/m3。因此，不良原配合比会产生混凝土收缩加大，引起开裂。
3.2 掺加外加剂 掺加缓凝剂与减水剂，缓凝剂的作用一是延缓混凝土放热峰值出现的时间，由于混凝土的强度会随龄期的增长而增大，所以等放热峰值出现时，混凝土强度也增大了，从而减小裂缝出现的机率，二是改善和易性，减少运输过程中的塌落度损失。减水剂的主要作用改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高混凝土强度或在保持混凝土一定强度时减少水泥用量，而水灰比的降低，水泥用量的减少对防止开裂是十分有利的。加入外加剂后，可延长混凝土的凝结时间，采取分层浇筑混凝土，利用浇筑面散热，并大大减少施工中出现冷缝的可能性。
3.3 优化大体积混凝土浇筑施工工艺
3.3.1 降低混凝土入模温度 浇筑大体积混凝土时应选择较适宜的气温， 尽量避开炎热天气浇筑。夏季可采用温度较低的地下水搅拌混凝土，或在混凝土拌和水中加入冰块， 同时对骨料进行遮阳、洒水降温，在运输及浇筑过程中也采用遮阳保护、洒水降温等措施，以降低混凝土拌和物的入模温度；掺加相应的缓凝型减水剂；在混凝土入模时，还可以采取强制通风措施，加速模内热量的散发。
3.3.2 加强施工中的温度控制 大体积混凝土应分层浇注，每层浇注厚度不大于30~50cm。浇注过程中要进行振捣方可密实，振捣时间应均匀一致以表面泛浆为宜，间距要均匀，以振捣力波及范围重叠二分之一为宜，振捣后1~2h混凝土可进行二次振捣。浇注完毕后，表面要压实、抹平，以防止表面裂缝。另外，浇注混凝土要求分层浇注，分层流水振捣，同时要保证上层混凝土在下层初凝前结合紧密。避免纵向施工缝、提高结构整体性和抗剪性能。
3.4 确保大体积混凝土早期有效养护 在混凝土浇筑之后，做好混凝土的保温保湿养护，以使混凝土缓缓降温，充分发挥其徐变特性，减低温度应力。夏季应坚决避免曝晒，注意保湿；冬季应采取措施保温覆盖，以免发生急剧的温度梯度变化；采取长时间的养护，确定合理的拆模时间，以延缓降温速度，延长降温时间，充分发挥混凝土的“应力松弛效应”；加强测温和温度监测。可采用热敏温度计监测或专人多点监测，以随时掌握与控制混凝土内的温度变化。混凝土内外温差应控制在25℃以内，基面温差和基底面温差均控制在20℃以内，并及时调整保温及养护措施，使混凝土的温度梯度和湿度不致过大，以有效控制有害裂缝的出现。
由于影响大体积混凝土早期开裂的因素较多，温度应力产生的裂缝仅是一个方面，在施工中必须全面考虑加以综合防治，才能保证大体积混凝土结构的工程质量。
参考文献：
[1]P梅泰.混凝土的结构、性能与材料[M].祝永年，沈威，陈志源.译.上海：同济大学出版社.l991.
[2]黄士元.高性能混凝土发展的回顾与思考[J].混凝土.2003，(7)：3-9.
[3]乔龄山.硅酸盐水泥的性能及其应用[J].水泥.2006.(1)：1-7. 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200906/13366.htm
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